【正文】 用可視化系統(tǒng)。但第二類由于其對(duì)特殊領(lǐng)域的專用性使其靈活性低 ； 第三類是通用性較好的基于數(shù)據(jù)流的開放性軟件 ， 但模塊的限制使其難以應(yīng)用于眾多領(lǐng)域 ， 如 AVS 和 IRIS Explorer 等。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)體 ， 第一類可視化工具較為合適。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 坐標(biāo)系統(tǒng)是將三維物體和二維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來的唯一紐帶 ， 在物體所在空間中定義一個(gè)世界坐標(biāo)系以數(shù)字化三維物體 ， 其也稱為全局坐標(biāo)系。為了便于對(duì)操作對(duì)象的描述 ， OpenGL 定義了局部坐標(biāo)系 ， 即以所描述的物體中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。另 外 ， 計(jì)算機(jī)要需要將一個(gè)二維直角坐標(biāo)系定義在顯示屏上 ， 把處理后的模型體現(xiàn)于顯示器 ， 稱這個(gè)二維直角坐標(biāo)系為屏幕坐標(biāo)系 ， 取平行于屏幕邊緣的方向?yàn)槠渥鴺?biāo)軸方向 ， 取左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)。三維立體怎樣才能以二維形式在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn) ， OpenGL 提供的變換方式解決了的這個(gè)問題。同理 ， 將三維物體顯示在二 維屏幕上也同樣需要經(jīng)過視點(diǎn)變換 (Viewing Transformation)、模型變換(Modeling Transformation)、投影變換 (Projection Transformation)及視口變換 (Viewport Transformation)等步驟。 在 OpenGL 中 ， 各種變換的實(shí)現(xiàn)是通過矩陣運(yùn)算來轉(zhuǎn)換的 ， 也就是說 ， 一旦發(fā)出一個(gè)變換指令 ， 該指令就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 4x4 階的變換矩陣 ， 并令這個(gè)矩陣與當(dāng)前矩陣相乘 ， 從而產(chǎn)生一個(gè)新的當(dāng)前矩陣。 下面詳細(xì)介紹圖 中的各類變換功能。默認(rèn)情況下 ， 坐標(biāo)系的原點(diǎn)被當(dāng)作視點(diǎn) ， 即與物體模型缺省的位置相同。執(zhí)行視點(diǎn)變換的命令和執(zhí)行物體模型 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 變換的命令是相同。也就是說 ， 進(jìn)行視點(diǎn)變換與進(jìn)行物體模型變換具有一致作用 ，兩者的命令也是相同的。視點(diǎn)的變換除了用模型轉(zhuǎn)換命令執(zhí)行外 ， OpenGL 圖形庫(kù)中的 實(shí)用庫(kù) 也提供了 gluLookAt ()函數(shù)來定義視點(diǎn)矩陣 ， 并用它乘以當(dāng)前矩陣。 （ 2） 模型變換， MT MT 變換主要為了在全局坐標(biāo)系中對(duì)物體模型實(shí)施旋轉(zhuǎn)、平移、縮放和反射三種。三種模型變換函數(shù)分別為 ： 旋轉(zhuǎn)變換 ， 平移變換 ， 縮放、反射變換 。 PT 變換分為透視投影和正射投影兩種。如觀察一條筆直的馬路 ,， 邊界在很遠(yuǎn)處近似于交匯于一點(diǎn)。其形成的透視投影模型如圖 所示。正射投影與透視投影最大的區(qū)別就是物體距離視點(diǎn)的遠(yuǎn) 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 近不影響投影后物體的大小 ， 如圖 所示。 光照模型可以運(yùn)算可視面的顏色或亮度 ， 通過漸變處理逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界中的光線和物體表面的性質(zhì)。因此 ， 設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)精度和代價(jià)充分考慮。 一般來說 ， OpenGL光照模型中的光分為 ： 鏡面光 (Specular Light)、環(huán)境光 (Ambient Light)、發(fā)射光 (Emitted Light)、漫射光 (Diffuse Light)四種。環(huán)境光是由光源發(fā)出并通過環(huán)境散射的不特定方向的光。發(fā)射光 ， 即 輻射 光 ， 是不被任何光源干擾也不會(huì)干擾場(chǎng)景中其他物體的直 接來自于物體本身的光。 漫射光 ， 來自特 定方向 ， 亮度與視點(diǎn)位置無關(guān)。 在明確了光照模型后 ， 要向場(chǎng)景中添加光照需要 4 個(gè)步驟 (如圖 )： 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 2. 4 OpenGL 光照處理步驟 （ 1） 計(jì)算物體每個(gè)頂點(diǎn)的法向量。 （ 2） 創(chuàng)建所有的光源并對(duì)其進(jìn)行選擇、定位。 （ 4） 定義場(chǎng)景中物體的材質(zhì)屬性。無效的情況下 ,OpenGL 只對(duì) 當(dāng)前頂點(diǎn)映射當(dāng)前的顏色 ,省去光源、法向等復(fù)雜計(jì)算 ,圖形缺乏真實(shí)感。反之， 要使光照無效 ,則調(diào)用glDisable(GL— LIGHTING)來關(guān)閉當(dāng)前光照。 OpenGL 中紋理是顏色、亮度等數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單矩陣陣列。此外 ， 采用紋理映射在很大程度上簡(jiǎn)化了建模的復(fù)雜程度 ， 比如 ， 可以用拍下的建筑外觀圖片貼在長(zhǎng)方體模型表面表示一棟建筑 ， 省去了對(duì)建筑具體門窗的建模。概括地說 ， 紋理貼圖操作包括 (如圖 ):對(duì)紋理的定義、控制、說明方式、定義坐標(biāo)等。 對(duì)紋理的控制主要是紋理過濾。 OpenGL 紋理過濾函數(shù) ： Void glTexParameter{if}[v](GLenum target， GLenum pname, TYPE param)； 進(jìn)行紋理貼圖時(shí) ， 可以直接將紋理圖像貼到物體上替代原色 ， 也可與原色融合。 OpenGL 定義紋理坐標(biāo)的函數(shù)為 ： Void glTexCoord{1234} {sifd}[v](TYPE coords)。 三維建模的目的在于利用各種不同的信息源 ， 構(gòu)造出滿足系統(tǒng)目標(biāo)的模型 ， 它與已知現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的信息集合相對(duì)應(yīng) 。 幾何建模處理物體的幾何和形狀表示 ， 及研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問題 ， 不考慮物體的運(yùn)動(dòng)情況 。 沒有行為的物體或是對(duì)用戶交 互沒有任何反映的對(duì)象 ， 在虛擬環(huán)境中是沒有意義的 ， 因此我們要建立的是兩種建模技術(shù)有機(jī)結(jié)合的虛擬環(huán)境 。 三維建模的一般評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ： （ 1） 精確度 。 在建立模型時(shí) ， 我們期望的所有模型都是精確的 ， 但從系統(tǒng)和顯示角度來看 ， 這種完全的精確是不可能或是沒有必要的 。 （ 2）顯示速度 。 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3） 易用性 。 （ 4） 廣泛性 。 隧道 可分為如下三種類型 ： 獨(dú)立單洞 ： 獨(dú)立一個(gè)洞的 隧道 設(shè)置形式 ； 獨(dú)立雙洞 ： 并行雙洞 之間 的距離較大 ， 在隧道設(shè)計(jì)施工中不必考慮雙洞相互影響的隧道設(shè)置形式 ； 連拱 隧道： 并行雙洞 之間 無中夾 巖柱 ， 拱部襯砌結(jié)構(gòu)通過中柱相連接的 隧道 設(shè)置形式 。 對(duì) 隧道 洞設(shè)計(jì)分析如下 ： （ 1） 為提高圖形顯示的速度 ， 對(duì)隧道采用分段顯示 （ 即按某一特定步長(zhǎng)每次只繪制視野范圍內(nèi)可見部分 ）； （ 2） 隧道劃分為隧道頭、隧道尾、普通隧道段和通道段 ， 分別進(jìn)行繪制 ； （ 3）隧道 在繪制時(shí)以隧道頂部為界 ， 分左右兩側(cè)繪制 ； （ 4） 基于隧道內(nèi)部有不同圖案的因素 ， 對(duì)左右兩側(cè)隧道按比例分三部分繪制 ，每部分分別使用不同的 紋理， 使 隧道 仿真效果更加逼真 。 上部圓弧曲線是由三段不同半徑的圓弧組合而成 ， 在組合點(diǎn)處圓弧兩兩連續(xù) 。 （ 2） 隧道洞口 ： 隧道洞口設(shè)計(jì)主要分為洞口斜斷面、洞口端墻、洞口護(hù)墻以及連拱 隧道 洞口的倒角圓弧四部分 。隧 道洞口 為端墻 式時(shí) ， 需計(jì)算洞口擋墻 （ 與隧道洞口位于同一平面的一個(gè)多邊形 ），獨(dú)立單洞和獨(dú)立雙洞的端墻相同 ， 是只包含一個(gè)隧道洞口的斜斷面 ， 而連拱雙洞的端墻則是包含左右兩個(gè)隧道洞口以及兩隧道之間倒角圓弧的斜斷面 。 （ 3）隧道 橫通道 ： 獨(dú)立雙洞 和 連拱雙洞中都不可避免的會(huì)出現(xiàn)橫通道 。 （ 4） 考慮到整個(gè)隧道仿真系統(tǒng)的顯示速度 ， 減少當(dāng)前視野段內(nèi)模型的數(shù)據(jù)計(jì)算量 ， 需對(duì)隧道進(jìn)行分段顯示 。 具體實(shí)現(xiàn)流程如下 ： 圖 3. 2 隧道仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第四章 隧道三維模型設(shè)計(jì)及內(nèi)部計(jì)算 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,高速公路的建設(shè)日新月異 。 如果在施工前 ,可實(shí)現(xiàn)公路隧道的三維虛擬展示以及反饋等功能 ,將大大提高交通運(yùn)輸?shù)墓芾硇?。 工程上 ,為了利于施工 ,在相應(yīng)區(qū)域做的位置標(biāo)志稱為樁號(hào) 。 公路隧道橫斷面一般為半圓形或半橢圓形 ,是由三個(gè)不同半徑的圓弧 0R 、 1R 、 2R拼接而成 （ 當(dāng)為半圓形時(shí) 01RR? )。 為減少建模的復(fù)雜程度以及計(jì)算的重復(fù)度 ,我們把公路隧道斷面都看作是半橢圓形 ,而半圓形只是半橢圓形的一種特殊情況 。 其中編號(hào)字段中 1 代表半橢圓形 ,2 代表半圓形 ,\表示該字段為空 。 設(shè) 隧道 斷面的基本信息數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 m， beginzh 和 endzh 的斷面基本數(shù)據(jù)分別為,beginjU 和 ,endjU ， 其中 j= 0,， 1， 2， ???， m1， 令參數(shù) i beginend beginzh zht zh zh???? ????? 則樁號(hào) ( 0,1, , 1)izh i N? ??? ?處斷面基本數(shù)據(jù)為 ,(1 )i j e n d jbe gin jU t U t U? ? ? ? 0,1, 2, , 1jm? ??? ? （ 2）圓弧曲線的基本計(jì)算 （ ） 指定 弧長(zhǎng) 處坐標(biāo)的求取 設(shè)圓弧的圓心坐標(biāo)為 CP ， 半徑為 R， 圓弧起始點(diǎn)到所求點(diǎn) P 的弧長(zhǎng)為 L， 圓弧起始點(diǎn)與水平線的夾角為 ? ， 圖 4. 4 圓弧示意 圖 隧道三維建模技術(shù) 的研究 共 42 頁 第 24 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 則圓弧 L 對(duì)應(yīng)的圓心角為 39。39。si n( ) si n( )R R h H? ? ?? ? ? ? ? ? 可得圓弧起始點(diǎn)與點(diǎn) P 的夾角為 39。LR??? （ ） 二維平面坐標(biāo)到三維空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化 設(shè)平面圓弧的圓心坐標(biāo)為 P： ,它的空間三維坐標(biāo)為 CP ,沿垂直于二維平面方向上的切線方位角為 ? ， 則二維坐標(biāo)系中圓弧上任一點(diǎn) ( , )Pxy 的三維坐標(biāo) 3P 為 3 3 3 3( , , ) ( c o s ( ) , s in ( ) , )22CP x y z P x y y????? ? ? ? ? ? （ 3） 隧道內(nèi)加寬點(diǎn)斷面的添加 由（ 1）知， 隧道初始所分樁號(hào)數(shù)組為 0 1 1, , , Nzh zh zh ???? 設(shè)加寬點(diǎn)樁號(hào)數(shù)組為 39。